Frakcje ChZT w procesach mechanicznobiologicznego

18 Frakcje ChZT w procesach mechanicznobiologicznego oczyszczania ścieków na przykładzie oczyszczalni ścieków w Sulechowie Sylwia Myszograj, Zofia Sadecka Uniwersytet Zielonogórski 1. Wstęp Optymalizacja procesów biologicznego usuwania związków biogennych, rozwój modeli matematycznych opisujących usuwanie związków azotu i fosforu, wymagają coraz więcej informacji dotyczących składu oczyszczanych ścieków. W biologicznym oczyszczaniu ścieków z usuwaniem związków biogennych, najwaŝniejszą rolę odgrywają mikroorganizmy. Dla prawidłowego ich metabolizmu, iloraz C:N:P, powinien wynosić około 20:4:1. Istotne jest, aby kaŝdy z tych pierwiastków występował w formach przyswajalnych dla mikroorganizmów. Zawartość łatwo przyswajalnych substancji pokarmowych, moŝna określić przez szczegółowe pomiary frakcji zawieszonej i rozpuszczonej ChZT. Analiza taka moŝe być wykorzystana równieŝ do określenia załoŝeń do projektowania i eksploatacji biologicznych procesów usuwania związków biogennych. 2. Frakcje ChZT w ściekach Projektowanie technologicznych układów oczyszczania ścieków, w większości przypadków odnosi się do wartości stęŝeń substancji organicznej, podatnej na rozkład biologiczny, wyraŝonej w BZT 5. Natomiast znajomość frakcji ChZT pozwala dodatkowo ocenić ilość zanieczyszczeń nie biodegradowalnych, które zmniejszają efektywność biologicznego oczyszczania ścieków. Dlatego w projektowaniu i modelowaniu systemów usuwania związków biogennych korzystniej jest stosować podział ChZT całkowitego w ściekach surowych, na frakcje zawieszone i rozpuszczone. Podział ten, pozwala w dalszym etapie obliczyć udział poszczególnych form azotu, występujących w ściekach

Sylwia Myszograj, Zofia Sadecka bytowo-gospodarczych. ChZT ścieków, z podziałem na frakcje moŝna obliczać wg podanej zaleŝności [6]: ChZT = S S + S I + X S + X I (1) S S ChZT rozpuszczonych związków organicznych biologicznie łatwo rozkładalnych, S I ChZT rozpuszczonych związków organicznych biologicznie nierozkładalnych, X S ChZT zawiesin organicznych wolno rozkładalnych, X I ChZT zawiesin organicznych biologicznie nierozkładalnych. Podstawowy podział ChZT na frakcje przedstawiono na rysunku 1 [2]: Rozpuszczone Łatwo rozkładalne Ss ChZT Nierozkładalne S I Wolno rozkładalne X S W zawiesinie Nierozkładalne X I Rys. 1. Podział ChZT całkowitego w ściekach bytowo-gospodarczych na frakcje [2] Fig. 1. Division of total COD into fractions in domestic sewage [2] Określenie podziału fazowego zanieczyszczeń, na substancje rozpuszczone i zawieszone moŝna dokonać metodą filtracji [2]. W zaleŝności od rodzaju ścieków udział poszczególnych frakcji ChZT moŝe być bardzo róŝny, a procentowe udziały składników organicznych w ChZT całkowitym przedstawiono na rysunku 2 [1]. Problem dotyczący określenia frakcji ChZT, wynika z braku definicji, na podstawie której jednoznacznie moŝna by ustalić podział zanieczyszczeń na ciała rozpuszczone i zawiesiny. Przez jednych autorów [3] frakcja koloidalna klasyfikowana jest do zawiesin, a przez innych do substancji rozpuszczonych [4]. W przypadku pierwszego podziału, autorzy podają, Ŝe udział procentowy zawiesinowej frakcji, obecnej w całkowitym ChZT ścieków bytowogospodarczych, wynosi średnio 65 79%, a rozpuszczonej 21 35% [6]. 234 Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska

Frakcje ChZT w procesach mechaniczno-biologicznego oczyszczania... a) b) c) d) Obojętne 14% Zawiesiny 57% Zawiesiny 57% Biomasa 20% ChZT ścieków surowych Związki organiczne 100% Ulegające powolnemu rozkładowi 23% Obojętne 2% Związki rozpuszczone i koloidalne 43% Koloidy 21,5% Związki rozpuszczone 21,5% Szybko ulegające rozkładowi 19,5% Obojętne 2% Podlegające bezpośrednio przemianie 19,5% Rys. 2. Procentowy udział składników organicznych w ChZT całkowitym ścieków bytowo-gospodarczych [1]; a) model klasyczny, b) model postklasyczny, c) model uwzględniający stan skupienia związków organicznych, d) model uwzględniający podatność związków organicznych na biologiczny rozkład Fig. 2. Percentage contribution of organic components in total COD of domestic sewage [1] a) classical model, b) postclassical model, c) model considering the state of aggregation of organic compounds, d) model considering bio-degradability of organic compounds Zwolennicy przyporządkowania frakcji koloidów do związków rozpuszczonych podają, Ŝe udział procentowy zawiesin w ściekach bytowogospodarczych wynosi średnio około 57% ChZT, a koloidów i substancji rozpuszczonych łącznie około 43% (rysunek 2b). Związki organiczne biodegradowalne stanowią średnio 39% wszystkich substancji organicznych w ściekach, a niepodatne na biologiczny rozkład około 61% [6]. Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska 235

Sylwia Myszograj, Zofia Sadecka Przyjmuje się hipotetycznie, Ŝe frakcja rozpuszczona łatwo rozkładalna S S składa się z substancji, które mogą być bezpośrednio przyswajane i metabolizowane przez organizmy (np. bakterie heterotroficzne) dla potrzeb syntezy i pozyskiwania energii. Jednak, aby mogły być wykorzystane przez mikroorganizmy, muszą wcześniej ulec hydrolizie [5]. Zakłada się, Ŝe frakcja wolno rozkładalna X S, jest utworzona z materiału cząsteczkowego (koloidalnego) i złoŝonych cząsteczek organicznych, które przed wykorzystaniem wymagają rozbicia, przez enzymy zewnątrzkomórkowe. Podobnie jak frakcja rozpuszczona S S, równieŝ X S ma duŝy wpływ na dynamikę procesu osadu czynnego [2]. Sądzi się, Ŝe materia nierozkładalna, rozpuszczona jak i obecna w zawiesinie, nie ulega zmianom w biologicznym tlenowym oczyszczaniu ścieków [2]. Frakcja X I łączy się z kłaczkami osadu czynnego lub z błoną rozwijającą się w złoŝach biologicznych i moŝe być usuwana z osadem nadmiernym. Jednak kłaczki mają ograniczoną moŝliwość adsorpcyjną i nie potrafią selektywnie wiązać tylko substancji nierozkładalnych, co ogranicza eliminację tego rodzaju zanieczyszczeń [6]. W procesie osadu czynnego, frakcja nierozkładalna rozpuszczona S I opuszcza system w odpływie z osadnika wtórnego, w stęŝeniu równym stęŝeniu w dopływie [2]. 3. Materiały i metody badań Celem pracy było wyznaczenie frakcji ChZT i ich zmian w ściekach bytowo-gospodarczych, po kolejnych etapach mechaniczno-biologicznego oczyszczania. Badania przeprowadzono w mechaniczno-biologicznej oczyszczalni ścieków dla miasta Sulechów. Średni dobowy dopływ ścieków surowych do oczyszczalni w okresie pomiarów wynosił 2822 m 3 /d. Podstawę oczyszczania stanowi technologia niskoobciąŝonego osadu czynnego w układzie cyrkulacyjnym (rysunek 3). W komorze napowietrzania symultanicznie zachodzą procesy nitryfikacji, denitryfikacji oraz chemicznej defosfatacji. Ścieki oczyszczone odpływają kanałem do odbiornika, którym jest ciek Sulechówka i dalej rzeka Odra. Do wykonania analiz fizyczno-chemicznych pobrano następujące próbki ścieków: 1. ścieki surowe, 2. sitach, 3. piaskowniku, 4. ścieki oczyszczone, 5. osad recyrkulowany 6. ciecz nadosadowa z zagęszczacza grawitacyjnego, 236 Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska

Frakcje ChZT w procesach mechaniczno-biologicznego oczyszczania... Rys. 3. Układ technologiczny urządzeń oczyszczalni ścieków w Sulechowie Fig. 3. Technological arrangement of the appliances of the sewage treatment plant in Sulechów Oznaczenia wykonano w okresie letnim 2002 r., w dwóch seriach. Metodyka określenia frakcji ChZT została opracowana na podstawie wytycznych ATV-131 [9]. 1. W celu wyznaczenia frakcji rozpuszczonej biologicznie nierozkładalnej S I, próbkę ścieków oczyszczonych poddano odwirowaniu w wirówce przy RMP = 3000 obr./min. przez 10 minut. Po zdekantowaniu sklarowane ścieki, przesączono przez bibułowy sączek twardy 0,45 µm, a następnie oznaczono ChZT ścieków metodą dwuchromianową [10]. 2. StęŜenie organicznych zanieczyszczeń rozpuszczonych S ChZT określono w ściekach surowych sączonych, wg metodyki opisanej w punkcie 1. Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska 237

Sylwia Myszograj, Zofia Sadecka 3. Frakcję biologicznie łatwo rozkładalną S S wyznaczono jako róŝnicę ogólnej liczby zanieczyszczeń organicznych rozpuszczonych S ChZT i zanieczyszczeń organicznych biologicznie nierozkładalnych S I : S S = S ChZT S I, [mg O 2 /dm 3 ] (2) 4. W celu oznaczenia frakcji zawiesin organicznych wolno rozkładalnych X S, wyznaczono doświadczalnie BZT 5 ścieków surowych nie sączonych, a następnie (przyjmując stałą szybkość biochemicznego rozkładu k 1 = 0,6) obliczono BZT całkowite (BZT C ): BZT C = BZT 5, [mg O2 /dm 3 ] (3) 0,6 Mając określoną wartość BZT C oraz wartość rozpuszczonej frakcji biologicznie łatwo rozkładalnej S S, frakcję zawiesin wolno rozkładalnych X S wyznaczono z równania [2,4]: X S = BZT C - S S, [mg O 2 /dm 3 ] (4) 5. Całkowite stęŝenie substancji organicznych w zawiesinie określono korzystając z zaleŝności podanej w normie ATV 131 [9]: X I = A X ChZT, [mg O 2 /dm 3 ] (5) Przy czym, w zaleŝności od rodzajów ścieków, lub teŝ od czasu zatrzymania ścieków w osadniku wstępnym, wartość współczynnika A moŝe zmieniać się od 0,2 do 0,35. Dla ścieków bytowo-gospodarczych przyjmuje się A = 0,25 [9]. Podstawiając do równania X ChZT = X S + X I zaleŝność X I = 0,25 X ChZT, otrzymano: X ChZT = X S, [mg O2 /dm 3 ] (6) 0,75 6. Frakcję zawiesin biologicznie nierozkładalnych X I określono z róŝnicy parametrów X ChZT i X S,: X I = X ChZT - X S [mg O 2 /dm 3 ] (7) 7. W celu sprawdzenia dokładności i wiarygodności wyników wykonano oznaczenie ChZT ścieków surowych i oczyszczonych metodą dwuchromianową [10]. 238 Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska

Frakcje ChZT w procesach mechaniczno-biologicznego oczyszczania... 4. Wyniki badań Wartości frakcji ChZT dla ścieków pobieranych po kolejnych stopniach oczyszczania, wyznaczone zgodnie z podaną metodyką, przedstawiono na rysunku 4, a ich udział procentowy, obliczony w stosunku do ChZT całkowitego w próbie, na rysunku 5. Na rysunkach przedstawiono równieŝ powyŝsze parametry dla osadu recyrkulowanego i cieczy nadosadowej, odprowadzonej z zagęszczacza grawitacyjnego. W I serii pomiarów stęŝenie ChZT ścieków dopływających do oczyszczalni wynosiło 848 mg O 2 /dm 3, a w ściekach oczyszczonych 68 mg O 2 /dm 3 (obniŝenie o 91,2%). Natomiast w II serii pomiarów wartość stęŝenia ChZT w ściekach surowych była o około 25% większa i wynosiła 1056 mg O 2 /dm 3. StęŜenia frakcji ChZT, charakteryzujących ilość substancji organicznych rozpuszczonych w ściekach surowych, w I i II serii badań były porównywalne i wynosiły: S S odpowiednio 248 mg O 2 /dm 3 i 240 mg O 2 /dm 3, a S I odpowiednio 20 mg O 2 /dm 3 i 28 mg O 2 /dm 3. Analizując zmiany udziału poszczególnych frakcji ChZT w ściekach (rysunki 4 i 5), po kolejnych etapach oczyszczania stwierdzono, Ŝe: zarówno w I, jak i w II serii pomiarów udział procentowy poszczególnych frakcji ChZT, pomimo róŝnych wartości stęŝeń, był porównywalny, w ściekach surowych około 50% całkowitego ChZT stanowiła frakcja zawiesin organicznych wolno rozkładalnych. W związku z tym, uzyskana skuteczność usuwania ChZT całkowitego po części mechanicznej była spowodowana oddzieleniem zawiesiny na sitach (I seria: dopływ 435 mg O 2 /dm 3, po sitach 201 mg O 2 /dm 3 ). W dalszym etapie oczyszczania mechanicznego w układzie sita-piaskownik, uzyskany efekt usunięcia ChZT był więc juŝ nieznaczny (I seria: po piaskowniku 174 mg O 2 /dm 3 ), w ściekach oczyszczonych mechanicznie, stwierdzono nieznaczne zmniejszenie stęŝenia frakcji rozpuszczonej rozkładalnej S S, w odniesieniu do udziału tych frakcji w ściekach surowych, udział nie rozpuszczonej, nierozkładalnej frakcji ChZT (X I ) wzrósł z 15,8% (w ściekach po piaskowniku) do 24,6% (w osadzie recyrkulowanym). Zmiana ta wynika ładunek faktu, Ŝe ładunek zanieczyszczeń w zawiesinie nierozkładalnej ulegał sorpcji na kłaczkach osadu czynnego i w znacznej części był odprowadzany wraz z osadem nadmiernym. Udział tej frakcji w ściekach oczyszczonych zmalał do około 5%, stęŝenie frakcji S I związków rozpuszczonych nie rozkładalnych wynosiło odpowiednio w I serii 20 mg O 2 /dm 3, a w serii II 28 mg O 2 /dm 3 i nie ulegało zmianie po kolejnych stopniach oczyszczania ścieków. Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska 239

Sylwia Myszograj, Zofia Sadecka a) 1000 ChzT, mg O2/dm 3 435 248 201 174 145 116 116 67 58 20 20 20 28 20 16 4 1837 612 20 19 143 48 20 12 SI XI Ss Xs 1 ścieki surowe sitach piaskowniku ścieki oczyszczone osad recyrk. ciecz nadosadowa b) 1000 ChzT, mg O2/dm 3 592 240 247 197 186 82 28 28 160 112 53 28 79 28 22 5 2040 680 28 20 168 56 28 20 SI XI Ss Xs 1 ścieki surowe sitach piaskowniku ścieki oczyszczone osad recyrk. ciecz nadosadowa Rys. 4. Zmiany stęŝeń frakcji ChZT (S I, X I, S S, X S ) w ściekach bytowo-gospodarczych po kolejnych stopniach oczyszczania; a) I seria badań, b) II seria badań; Uwaga: skala osi rzędnych jest skalą logarytmiczną Fig. 4. Changes of the COD fractions (S 1, X 1, S S, X S ) concentration in domestic sewage after subsequent stages of sewage treatment; a) I series of tests b) II series of tests; Note: the scale of ordinates axis is logarithmic 240 Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska

Frakcje ChZT w procesach mechaniczno-biologicznego oczyszczania... a) 100% 80% 41,2 51,3 49,7 47,3 73,8 64,2 ChZT, % 60% 40% 29,2 28,7 31,5 23,5 5,9 0,8 5,4 Xs Ss XI SI 20% 0% 17,1 2,4 ścieki surowe 29,4 16,6 15,8 24,6 5,0 sitach 5,4 piaskowniku ścieki oczyszczone 0,8 osad recyrk. 21,4 9,0 ciecz nadosadowa b) 100% 80% ChZT, % 60% 56,0 45,5 45,2 59,0 73,7 61,8 Xs Ss 40% 20% 0% 34,2 31,7 22,7 16,4 3,7 18,6 15,2 15,2 24,6 20,9 2,7 5,1 7,9 1,0 ścieki surowe sitach piaskowniku ścieki oczyszczone 0,7 osad recyrk. 7,3 20,6 10,3 ciecz nadosadowa XI SI Rys. 5. Procentowy udział frakcji ChZT (S I, X I, S S, X S ) w ściekach bytowo-gospodarczych po kolejnych stopniach oczyszczania; a) I seria badań, b) II seria badań Fig. 5. Percentage contribution of COD fractions (S1, X1, SS, XS) in domestic sewage after subsequent stages of sewage treatment; a) I series of tests b) II series of tests Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska 241

Sylwia Myszograj, Zofia Sadecka Udział procentowy poszczególnych frakcji ChZT w ściekach surowych określony przez Kappeler a, Gujer a [7] i Grupę IWA oraz metodami uproszczonymi (Kalinowska i Oleszkiewicz [4], Ekama [7]) w porównaniu z wartościami wyznaczonymi w pracy zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Udział poszczególnych frakcji w całkowitym stęŝeniu ChZT ścieków surowych, określony w pomiarach w porównaniu z danymi literaturowymi [4,7] Table 1. Contribution of particular fractions in total concentration of COD in raw sewage, determined in measurements and compared to bibliography data [4,7] Frakcja Dane własne [%] Seria I Seria II Kappeler, Gujer [%] Ekama [%] Grupa IWA [%] Kalinowska, Oleszkiewicz [%] S S 29,2 22,6 9,0 20,0 25,0 25,0 12,5 25,0 S I 2,4 2,7 11,0 8,0 10,0 10,0 8,0 10,0 X S 51,3 56,0 58,0 60,0 65,0 45,0 50,0 X I 17,1 18,7 22,0 5,0 7,0 15,0 15,0 Dla ścieków bytowo-gospodarczych oczyszczanych w Sulechowie, wyznaczone wartości poszczególnych frakcji ChZT są podobne do wartości podawanych w literaturze. 5. Wnioski Analiza wykonanych pomiarów oraz obliczeń pozwala na następujące stwierdzenia: 1. W ściekach surowych doprowadzanych do oczyszczalni w Sulechowie około 80% ChZT całkowitego stanowiły frakcje biologicznie rozkładalne: związane w zawiesinie X S i rozpuszczone S S. 2. Obok przemian biochemicznych, na zmiany udziałów frakcji X I, S S, X S w całkowitym ChZT ścieków bytowo-gospodarczych znacząco wpływał proces cedzenia na sitach. 3. W analizowanym układzie mechaniczno-biologicznego oczyszczania ścieków w Sulechowie wartość frakcji nierozkładalnej rozpuszczonej S I nie ulegała zmianom po kolejnych stopniach oczyszczania. 4. Wartości procentowego udziału frakcji S I, X I, S S, X S w całkowitym ChZT ścieków surowych z miasta Sulechów są zgodne z wartościami podawanymi w literaturze. 242 Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska

Frakcje ChZT w procesach mechaniczno-biologicznego oczyszczania... Literatura 1. Bogdańska D.: Elementy składowe ChZT w ściekach komunalnych na przykładzie miasta Zielona Góra. Praca magisterska, WILiŚ, Uniwersytet Zielonogórski 2002 2. Filozofia projektowania a eksploatacja oczyszczalni ścieków. Materiały seminarium szkoleniowego. Lem Projekt s.c. Kraków, 28 29.06.2000. 3. Henze M., Harremoes P., Jansen J., Arvin E.: Oczyszczanie ścieków. Procesy biologiczne i chemiczne. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2000. 4. Kalinowska E., Oleszkiewicz J.: Od projektowania do eksploatacji oczyszczalni ścieków. Optymalizacja poprzez symulację i modelowanie. Międzynarodowe seminarium szkoleniowe. Charakterystyka ścieków surowych: Nie ma typowych ścieków. LEMtech Konsulting. Warszawa 2001. 5. Kappeler J., Gujer W.: Estimation of kinetic parameters of heterotrophic biomas under aerobic conditions and characterization of wassewater for acticvated sludge modeling. Wat. Sci. Tech. Vol. 25, No 6, pp. 125 139, 1992. 6. Łomotowski J., Szpindor A.: Nowoczesne systemy oczyszczania ścieków. Arkady, Warszawa 1999. 7. Metody oznaczania wskaźników zanieczyszczeń organicznych w wodzie i ściekach. Seminarium szkoleniowe VII edycja. Politechnika Krakowska, Kraków 09.2002. 8. Mudrack K., Kunst S.: Biologie der Abwasserreinigung. Gustav Fischer Verlag. Stuttgart 1994. 9. Wytyczne ATV DVWK-A 131 P.: Wymiarowanie jednostopniowych oczyszczalni ścieków z osadem czynnym. Wydawnictwo Seidel Przywecki, 05.2000. 10. PN-74/C-04578/03 Oznaczanie chemicznego zapotrzebowania tlenu metodą dwuchromianową. Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska 243

Sylwia Myszograj, Zofia Sadecka Abstract COD Fractions In Mechanical-Biological Sewage Treatment on the Basis of Sewage Treatment Plant In Sulechów The optimization of sewage treatment as well as the development of mathematical models describing biological processes of removing compounds of biological origin, require increasing amount of information concerning the composition of purified sewage. In biological sewage treatment, microorganisms play the most important role. For their correct metabolism the proportion C:N:P should amount about 20:4:1. It is essential that all the elements occur in forms available for the microorganisms. In the majority of cases, designing the technological systems of sewage treatment refers to the values of concentrations of bio-degradable organic substance, expressed in BOD 5. Whereas identification of COD fractions, additionally allows the evaluation of the amount of impurities which are not bio-degradable and which decrease the efficiency of biological treatment. The aim of the paper was to analyse COD fractions and their alterations in domestic sewage after subsequent stages of mechanical-biological treatment on the basis of the sewage treatment plant in Sulechów. Average daily raw sewage inflow to the treatment plant during research was 2822 m 3 /d. For the physicochemical analysis following samples of sewage were collected: raw sewage, sewage after sieves, sewage after desander, treated sewage, recirculated sludge, sewage from gravitational thickener. The following fractions of COD were determined: dissolved non-degradable biologically S I, dissolved easily biodegradable S S, in organic suspension slowly degradable X S, in organic suspension non-degradable biologically X I. Analysis of carried out measurements and calculations allows to draw following conclusions: 1. About 80% of total COD in the raw sewage inflowing to the sewage treatment plant in Sulechów were fractions biologically degradable: bound in suspension X S and dissolved S S. 2. Apart from biochemical transformations the process of straining on the sieves significantly influenced changes of contribution of fractions X I, S S, X S in the total COD of domestic sewage. 3. In the analysed mechanical and biological sewage treatment plant in Sulechów value of non-degradable dissolved fraction S I was not changing after subsequent stages of sewage treatment. 4. Values of percentage contribution of S I, X I, S S, X S fractions in the total COD of the raw sewage from Sulechów town are compliant to values given in the literature. 244 Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska